CN103822400A - 一种高设备利用率模块型冷热电三联供系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高设备利用率模块型冷热电三联供系统，包括能源输入组块、电力系统组块、能源复合生产组块和能源输出组块。其特征在于：所述能源复合生产组块在现有的三联供系统中增加了风冷热泵机组（空气源热泵机组）、水源热泵机组，使系统增加以电换冷和以电换热的功能，使系统调节更具灵活性，减少燃气发电机组的年启停频率，延长燃气机组的年运行时间和使用寿命，使三联供能系统的能源转换过程保持连续正常的运行状态。此外，还可附带增加冬季低品位热源的回收利用功能，提高了系统整体的能源回收利用效率，同时也降低了终端用能客户的经济负担，最终实现多方盈利的三联供能系统建设目标。

Description

一种高设备利用率模块型冷热电三联供系统

技术领域

本发明涉及分布式能源领域，具体涉及一种高能效、高设备利用率、模块化冷热电三联供系统。

背景技术

人类以燃烧矿石燃料为主的传统凝汽式发电循环已有一百多年的运行历史，目前技术上相当成熟，大型电站已采用超-超临界机组，循环效率已接近理论值，能达到45%左右，热电厂循环效率也只能达到65%左右,为人类的生活和社会经济发展作出了巨大的贡献。但是以燃烧矿石燃料为主的传统发电系统存在着大量污染物排放和余热能源排放浪费，造成了严重的环境及空气的污染以及形成城市热岛效应。对人类的健康生活和社会经济可持续发展已构成严重威胁，因此，如何减少对环境空气污染和提高一次能源利用效率已迫在眉睫。随着人类生活水平不断提高，人们对热能、冷能消耗量也愈来愈大，城市能源消耗居高不下，如何节能减排已是当前经济可持续发展的头等大事。

随着日益严峻的能源形势和科学技术的不断进步，余热利用技术研发和推广应用的必要性和紧迫性也成了社会共识。三联供能系统 = 发电系统 + 供热系统 + 制冷系统，是把三种系统组合成一套闭环式能源综合、梯级、高效生产并保持正常输出的能源生产系统，该系统已得到了经济发达国家的认可和推广。

现有的冷热电三联供系统（简称：CCHP三联供系统）一般是由天然气为燃料的燃气发电机组、溴化锂吸收式冷/热水机组和离心压缩式单冷机组等装置设备所组成，能在产生35%左右电能的同时充分利用近45%余热生产冷能、热能，燃气的热能被充分利用，大大提高了能源的综合利用功效。冷热电三联供系统具有以下优点：1.能源转换效率高；2.实现了能源的梯度利用；3.能调节平衡天然气与电能（季节）负荷；4.化学污染排放少。但以往所设计的类似系统由于受到区域内用户端负荷（冷、热、电）需求条件的不同、系统运行效率及设备的可利用小时得不到保障、系统冷热电的能量平衡能力不够强等缺陷，从而存在着系统经济性不高的问题。

冷热电三联供系统分为工业应用冷热电三联供系统和区域民用建筑冷热电三联供系统。区域民用建筑冷热电三联供系统是指为较大体量的楼宇建筑或楼宇建筑群，提供冷、热、电能源的设备系统。本发明针对在民用建筑能耗中很大一部分用于建筑的供电、供冷、供热，如何降低建筑的供电供冷供热能耗、提高系统运行效率和稳定性，对提高能源利用率和经济性有着非常重要的意义。

由于冷热电三联供系统在运行过程中会受到环境及用能对象负荷等多种变量的影响，区域冷热电三联供系统具有过程参数时变、被控对象延时量较大、负荷变化较大的特点，是典型的多变量、非线性系统。以一年四季时间阶段分隔明显的上海地区为例，其能源利用状态：冬季只需要电能和热能，春秋季节只需要电能和部分热能、部分冷能，夏季只需要电能和冷能、少量热能。冷、热、电三种能量除电能基本保持月平均正常使用率外，其他冷能和热能存在着巨大的季节反差使用率，其次上海的极端气温和突然性巨变气温发生天数频率也比较高。现有的冷热电三联供系统普遍存在缺乏能量平衡调节的灵活要素和空间、投入运行后系统能量转换不平衡的缺点，并由此可能导致更大的能源浪费和系统不稳定，有时甚至发生严重的故障或系统瘫痪，系统的安全可靠性和经济性都不理想。

发明内容

本发明的目的在于克服现有区域冷热电三联供系统的上述缺陷，提供一种高能效、高设备利用率、模块化冷热电三联供能系统，它可连续平稳运行安全、能源利用率高、调节灵活、负荷变化适应性强的系统。

区域冷热电三联供系统高效运行的基本条件：系统能以终端建筑用户的电能负荷、热能负荷、冷能负荷及环境气象条件的即时变化及时进行调整系统运行策略。为此，必须有能适应系统灵活调节的系统配置方式，适应终端建筑负荷（冷、热、电）负荷变化，具有模糊控制调节的实时数据处理功能，从而才有可能达到能源的梯级、综合、高效利用目标。

本发明的技术方案具体如下：

一种高设备利用率模块型冷热电三联供系统，包括能源输入组块、电力系统组块、能源复合生产组块和能源输出组块，其特征在于：所述能源复合生产组块包括风冷热机模块、水冷热机模块和单制冷机模块;所述风冷热机模块为冷媒总输送管网中并联连接的n台风冷热泵机组，n为正整数; 所述水冷热机模块为冷媒总输送管网中并联连接的n台水源热泵机组, n为正整数；所述单制冷机模块为冷媒总输送管网中并联连接的n台水冷冷水机组, n为正整数；水源热泵机组的冷却水部分与水冷冷水机组的冷却管网并联连接。在传统的三联供系统中增加了风冷热泵机组（空气源热泵机组）、水源热泵机组，使系统增加以电换冷和以电换热的功能，使系统调节更具灵活性，减少燃气发电机组的年启停频率，延长燃气机组的年运行时间和使用寿命，使三联供能系统的能源转换过程保持连续正常的运行状态。

优选的，所述能源复合生产组块还包括能量储藏模块。能量储藏模块的作用在于调节系统用能高峰和用能低谷间的冷热能量平衡。

优选的，所述电力系统组块包括燃气发电机模块、溴化锂冷热机组模块和电力上网模块。燃气内燃发电机组与烟气型溴化锂机组组合成联合型模块化系统，当然装置功率大小与模块数量的多少可根据终端用户的热能和冷能需求总容量来确定。原则上燃气内燃发电机组可实现全年除系统设备维保等工作原因的连续运行，为保障国家电网安全提供条件，冷、热、电能量系统内进行自控平衡。项目实施前准备工作是需要做好区域内终端用户的用能状态分析，依据第一手资料、并细化到年逐时的用能分析报告。

优选的，还包括运行参数显示和设置输入组块。

优选的，还包括数据档案云储存和处理组块。

优选的，还包括数据现场输出组块。

优选的，还包括数据远程输出输入组块和加密隔离组块。

可选的，所述风冷热泵机组和水源热泵机组的容量比例为3:1。

可选的，所述风冷热泵机组和水源热泵机组的容量比例为1:3。

可选的，所述风冷热泵机组和水源热泵机组的容量比例为1:1。 

以消耗天然气的高能效、高设备利用率、模块化冷热电三联供能系统为例，首先燃气内燃机发电机组将高品位能源天然气转换为绿色电能，约能实现30~35%的能源利用，产生的中品位450℃~500℃烟气余热能和75℃~90℃缸套和油温冷却余热能合计约45~55%。其中燃气内燃发电机组的30~35%绿色电能供给能源中心闭环系统内其他用电设备消耗（主供风冷热泵机组、水源热泵机组、水冷冷水机组等），富余电能输入市电网。烟气余热能将全部供给烟气型溴化锂制冷机组转换成冷热能约60~65%，缸套和油温余热能将全部供给换热机组转换成可利用热能。高设备利用率模块型冷热电三联供系统依据客户的冷能、热能实际需求量生产，满足按需生产能源的系统能量平衡体系，达到一次能源利用率不低于80%和系统进行常年稳定运行的目标。

其方法：在一般常规三联供系统基础上增加风冷热机模块和水冷热机模块，配置的数量和容量需按系统总容量推算。如上海可大致按风冷热泵机组30%和水源热泵机组10%比例组合；如北京地区可大致按风冷热泵机组10%和水源热泵机组30%比例组合；南方广东地区可大致按风冷热泵机组20%和水源热泵机组20%比例组合。不同区域不同配置，具体还要根据每个项目的特点进行科学地理论计算。

配置一定容量的风冷热泵机组（即空气源热泵机组）使系统增加以电换冷和以电换热的功能，满足系统特殊状态的运行，使系统调节更具灵活性，减少燃气发电机组启停频率，延长燃气机组的运行时间和使用寿命，提高绿色电能生产量，使三联供系统在能源转换过程保持连续正常的运行状态。

按系统的需求特点再配置水源热泵机组以增加系统的以电换冷、以电换热，其次附带增加了冬季低品位热源的回收利用功能，使三联供系统日常运行更加平稳安全，提高系统整体的能源回收利用效率，降低能源输出单位成本增加企业市场竞争力，减少终端用能客户的经济负担，最终实现多方盈利的三联供系统建设目标。

国家电网是事关国家生命安全的网络，任何行为都不得影响电网安全，国家电网对小型燃气发电机组电力上网具有稳定运行、安全上网的基本要求，这里需要小型燃气发电机组必须按国家电网区域调度中心的要求有计划地稳定运行。小型燃气发电机机组地连续运行会产生系统能源平衡等复杂问题：余热如何消耗，电网低谷时段电力如何内部消耗等等。在现有的三联供系统基本思路上创新地增加实现以电能换热能和冷能功能、以低品位热能换高品位热能的装置，充分增加系统的灵活调节能力和系统稳定性；延长燃气发电机组的年运行时间或稳定的连续运行周期，为电力上网稳定运行条件提供保障，并服从区域电力调度中心的电力调峰指挥，也可在市电网负荷低谷时本系统能正常闭环式稳定安全运行。

高设备利用率模块型冷热电三联供系统构建和具体项目实施时有几点需要注意：

1、必须针对用户的负荷(冷、热、电）特点进行个性化的设计（度身定制）；

2、必须对用户负荷特性正确估算，设备配置合适（量体裁衣）；

3、必须能适应设备、运行策略（冷、热）负荷变化大的特点（灵活调节）；

4、必须适应和满足系统正常运行与安全要求的控制系统（智慧处理）。

本发明的优点是：

一、解决了三联供系统内燃气内燃发电机组频繁停开问题，提高运行平稳性；

二、提高燃气发电机组使用效率增加绿色电能生产量，改善城市空气质量；

三、延长发电机组和烟气型溴化锂机组使用寿命，减少项目生命周期成本；

四、提高低品位余热使三联供系统整体能效提升，增加运行企业经济效益；

五、有效增加系统调节的灵活性，满足冷、热、电能量负荷需求变化；

六、提高三联供系统运行管理的安全稳定系数，避免事故的发生。

附图说明

图1为本发明实施例系统组成框图；

图2为本发明实施例能量流程示意图；

图3为本发明实施例系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，对本发明作进一步的说明。

实施例一

项目区域位置：上海地区。

如图1所示，一种高设备利用率模块型冷热电三联供系统，包括能源输入组块、电力系统组块、能源复合生产组块、能源输出组块、运行参数显示和设置输入组块、数据档案处理组块、括数据现场输出组块、数据远程输出输入组块和加密隔离组块。所述电力系统组块包括燃气发电机模块、溴化锂冷热机组模块和电力上网模块。所述能源复合生产组块包括风冷热机模块、单制冷机模块、锅炉机组模块和辅助设施机模块。如图3所示，所述风冷热机模块为冷媒总输送管网中并联连接的8台风冷热泵机组; 所述水冷热机模块为冷媒总输送管网中并联连接的2台水源热泵机组；所述单制冷机模块为冷媒总输送管网中并联连接的2台水冷冷水机组；水源热泵机组的冷却水部分与水冷冷水机组的冷却管网并联连接，其中风冷热泵机组的电力消耗来自燃气涡轮发电机组的绿色电能。

本实施例中，燃气发电机模块采用燃气涡轮发电机组、锅炉机组模块采用余热蒸汽锅炉，其中系统中各个设备装置的配置数量和容量按系统总容量推算，并按风冷热泵机组30%和水源热泵机组10%的比例组合。

下面对在四季交替和白天黑夜变更以及气温突变时的系统运行情况作详细说明。

1、时间：秋末转初冬

秋末冬初是热源需求能量递增时段：高设备利用率模块型冷热电三联供系统运行管理调节应该以烟气余热为第一热源，风冷热泵机组为第二热源，水源热泵机组为第三热源，燃气热水锅炉为第四热源，按以上排列顺序依据气温的下降节点，调整和递增系统制热获取方式，直至进入冬季运行方式（当燃气热水锅炉投入年度正常运行后，水源热泵机组和风冷热泵机组保持备用状态，弥补冬季低温和过渡季节的突发气候应急供热或供冷需求）。

2、时间：冬末转入初春

冬末春初是热源需求能量递减时段：第一首先递减燃气热水锅炉热源容量，第二递减水源热泵机组热源，第三递减风冷热泵机组，第四递减烟气余热热源，按以上排列顺序依据气温的上升节点，调整和递减系统热源获取方式，直至进入春季运行方式（当燃气热水锅炉完成年度运行时，水源热泵机组和风冷热泵机组保持备用状态，弥补过渡季节的突发气候应急供热或供冷需求）。

3、时间：春末转入初夏

春末夏初是冷源需求能量递增时段：高设备利用率模块型冷热电三联供系统运行管理调节应该以烟气余热溴化锂机组为第一冷源，风冷热泵机组为第二冷源，水源热泵机组为第三冷源，离心冷水机组为第四冷源，按以上排列顺序依据气温的上升节点，调整和递增系统制冷获取方式，直至进入夏季运行方式。（当离心冷水机组投入年度正常运行后，水源热泵机组和风冷热泵机组保持备用状态，弥补夏季高温和过度季节的突发气候应急补偿供热或供冷需求）

4、时间：夏末转入初秋

夏末秋初是冷源需求能量递减时段：第一首先递减离心冷水机组冷源容量，第二递减水源热泵机组冷源容量，第三递减风冷热泵机组冷源，第四递减烟气余热溴化锂机组冷源，按以上排列顺序依据气温的下降节点，调整和递减系统冷源获取方式，直至进入秋季运行方式（当离心冷水机组完成年度运行时，水源热泵机组和风冷热泵机组保持备用状态，弥补过渡季节的突发气候应急供热或供冷需求）。

5、时间：白天；

当白天用能高峰时段充分发挥蓄能装置作用，释放冷（热）能量。

6、时间：夜晚：

当夜晚用能低谷时段充分发挥蓄能装置作用，储藏冷（热）能量。

7、时间：气温突发巨变；

当气温突然发生巨变时，充分发挥水源热泵机组和风冷热泵机组备用以及系统蓄能装置的作用，满足应对突发事件确保区域内用户能源安全使用。

注意：具体项目实施时，必须依据每个项目系统特点和实际区域气象条件进行精细化修正；可适当提高和优化系统蓄能装置容量提高灵活性能，提高系统能源利用系数。

本实施例只是本发明的一个较佳实施例，并不意味着对本发明的限制，任何未作出实质性改变的技术方案均落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种高设备利用率模块型冷热电三联供系统，包括能源输入组块、电力系统组块、能源复合生产组块和能源输出组块，其特征在于：所述能源复合生产组块包括风冷热机模块、水冷热机模块和单制冷机模块;所述风冷热机模块为冷媒总输送管网中并联连接的n台风冷热泵机组，n为正整数; 所述水冷热机模块为冷媒总输送管网中并联连接的n台水源热泵机组, n为正整数；所述单制冷机模块为冷媒总输送管网中并联连接的n台水冷冷水机组, n为正整数；水源热泵机组的冷却水部分与水冷冷水机组的冷却管网并联连接。

2.根据权利要求1所述的高设备利用率模块型冷热电三联供系统，其特征在于：所述能源复合生产组块还包括能量储藏模块。

3.根据权利要求1所述的高设备利用率模块型冷热电三联供系统，其特征在于：所述电力系统组块包括燃气发电机模块、溴化锂冷热机组模块和电力上网模块。

4. 根据权利要求1所述的高设备利用率模块型冷热电三联供系统，其特征在于：还包括运行参数显示和设置输入组块。

5.根据权利要求1所述的高设备利用率模块型冷热电三联供系统，其特征在于：还包括数据档案云储存和处理组块。

6.根据权利要求1所述的高设备利用率模块型冷热电三联供系统，其特征在于：还包括数据现场输出组块。

7.根据权利要求1所述的高设备利用率模块型冷热电三联供系统，其特征在于：还包括数据远程输出输入组块和加密隔离组块。

8.根据权利要求1所述的高设备利用率模块型冷热电三联供系统，其特征在于：所述风冷热泵机组和水源热泵机组的容量比例为3:1。

9.根据权利要求1所述的高设备利用率模块型冷热电三联供系统，其特征在于：所述风冷热泵机组和水源热泵机组的容量比例为1:3。

10.根据权利要求1所述的高设备利用率模块型冷热电三联供系统，其特征在于：所述风冷热泵机组和水源热泵机组的容量比例为1:1。

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